电力电子技术课程设计说明书单相可控变流器的设计.doc

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1、单相可控变流器的设计1概述 电力变流器是由一个或多个电力电子装置连同变流变压器、滤波器、主要开关及其他辅助设备组成的变流设备，它应能独立运行并完成规定功能。常见的电力变流器有：整流器，用于交流到直流的变流；逆变器，用于直流到交流的变流；交流变流器，用于交流变流；直流变流器，用于直流变流。此次课设设计的为变流器中的整流器。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀，电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。整流电路通常由触发电路、主电路、滤波器和变压器组成。主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主

2、电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。整流电路可以从各种角度进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可以分为不可控，半控，全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。2 方案的选择单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。 单相半控整流电路的优点是：

3、线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用；而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。 单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。 根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。3方案设计我的选题是单相可控变

4、流器的设计，初始条件是单相半控桥式可控整流电路，电阻-电感性（大电感）负载，R1.5，最大电流40A。需要运用的知识点有单相桥式全控整流电路的原理及参数计算。整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路接电阻性负载。图1 系统原理方框图4系统设计4.1 单相桥式全控整流电路阻感性负载4.1.1 工作原理假设电路已经工作在稳定状态：当整流电路带电感性负载时，整流工作的物理过程和电压、电流波形都与带电阻性负载时不同。因为电感对电流的变化有阻碍作用，即电感元件中的电流不能突变，当电流变化时电感要产生感应电动势而阻碍其变化，所以电路电流的变化总是滞

5、后于电压的变化。图 2 单相全控桥式整流电路电感性负载及其波形(a)电路；(b)电源电压；(c)触发脉冲；(d)输出电压；(e)输出电流；(f)晶闸管,上的电流；(g)晶闸管 ,上的电流；(h)变压器副边电流；(i)晶闸管,上的电压。工作原理：在电源电压正半周期间，、承受正向电压，若在时触发，、导通，电流经、负载、和T二次侧形成回路，但由于电感的存在,过零变负时，电感上的感应电动势使、继续导通，直到、被触发导通时，、承受反相电压而截止，输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压负半周期间，晶闸管、承受正向电压，在时触发，、导通，、受反相电压截止，负载电流从、中换流至、中；在时，电压过零，、因电感

6、中的感应电动势一直导通，直到下个周期、导通时，、因加反向电压才截止。值得注意的是，只有当时，负载电流才连续，当时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是。4.1.2整流电路参数计算1）整流输出电压的平均值可按下式计算= = =由题意可知，=1.540=60V当=0时，取得最大值60V，即= 0.9*=60V，从而得出=67V，=90o时，=0。角的移相范围为90o。2）整流输出电压的有效值为=67V 3）整流电流的平均值和有效值分别为=40A =44.7A 4)在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通，变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值

7、和有效值相等，其波形系数为1。流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为：= = 5)晶闸管在导通时管压降=0,故其波形为与横轴重合的直线段；和加正向电压但触发脉冲没到时，、已导通，把整个电压加到或上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于；和反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压加到或上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为,即 。 4.2变压器的设计4.2.1 变压器的概念及其工作原理变压器是一种静止电机，它可将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。从电力的生产、输送、分配到各用电户，采用着各式各样的变压器。首先，从电力系统来讲，变压器就是种主要设备。我们知道，要将大功率的

8、电能输送到很远的地方去，采用较低电压即相应的大电流来传输是不可能的。这是由于一方面大电流将在输电线上引起大的功率损耗；另一方面大电流还将在输电线上引起大的电压降落，致使电能根本输不过去。为此，需要变压器来将发电机的端电压升高，相应电流就可减少。一般来说，当输电距离越远，输出功率越大时，要求的输出电压也越大。在电力系统中变压器的地位是非常重要的，不仅需要变压器的数量多，而且要求性能好，技术经济指标先进，还要保证运行安全可靠。一二侧电压之比近似等于其匝数比。因此在原绕组不变的情况下改变副绕组的匝数，就可以达到输出电压的目的。若将副绕组与负载相接，副边就会有电流流过，这样就把电能传输给了负载。从而实

9、现了传输电能，改变电压的要求，就是变压器工作的基本原理。4.2.2整流变压器参数计算二次相电压:平时我们在计算是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可忽略的。如电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时应按下式计算：式中 负载的额定电压； 整流元件的正向导通压降，一般取1V； 电流回路所经过的整流元件（VT及VD）的个数； A 理想情况下=0时与的比值，查表可知； 电网电压波动系数，一般取0.9； 最少移相角，在自动控制系统中总希望值留有调节余量，对于可逆直流调速系统取（3035），不可逆直流调速系统取（1015）； C 线路接线方式系数，查表单相桥式C取0

10、.5V； 变压器阻抗电压比，100KVA以下，取=0.05V， 100KVA以上，取=0.050.1V； 二次侧允许的最大电流与额定电流之比。一次与二次额定电流及容量计算：如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为： K= 式中、变压器一次和二次绕组的匝数； K变压器的匝数比。 由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。单相桥式可控整流电路计算如下： 大电感负载时变压器二次电流的有效值为 此时，为0。可以计算出，选择整流变压器的变比为：变压器二次侧容量为=67V40A=2.68KVA 4.3 晶闸管选择及参数计算分析由于单相

11、桥式全控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。4.3.1 晶闸管的主要参数额定电压通常取和中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用晶闸管时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 额定电流 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。要注意的是若晶闸管的导通时间远

12、小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。 :额定电流有效值，根据管子的换算出， 、三者之间的关系： 考虑到晶闸管电流的安全裕量为，流过每个晶闸管的电流有效值为，晶闸管的额定电流为 ，。波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值与平均值之比称为该波形的波形系数，用表示：额定状态下， 晶闸管的电流波形系数为： 晶闸管承受最大反向电压，所以晶闸管的额定电压为。4.3.2 晶闸管的选择原则一

13、、所选晶闸管电流有效值ITn 大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。二、 选择时考虑（1.52）倍的安全余量。即0.707（1.52） 因为,则晶闸管的额定电流为=10A(输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至少应大于20A。三、 若散热条件不符合规定要求时，则元件的额定电流应降低使用。 通态平均管压降。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.41.2V。 维持电流。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般值从几十到几百毫安，由晶闸管

14、电流容量大小而定。 门极触发电流。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。 断态电压临界上升率。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。 通态电流临界上升率。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。4.4 系统功率因素的计算单相全控整流电路中基波和各次谐波的有效值为： =1,3,5,因此可得基波电流有效值为： 的有效值，可得基波因数为：又因为，电流基波与电压的相位差就等于控

15、制角，所以位移因素为： 所以，功率因数为：4.5 晶闸管电路对电网的影响晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的，因此其工作频率为工频初级电压即为交流电网电压。经过变压器的耦合，晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压，是晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分，减小电网污染。在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时，有时会采用自耦变压器；当变流电路所需的电压与电网电压一致时，也可以不经变压器而直接与电网连接，不过要在输入端串联“进线电抗器”以减少对电网的污染。在分析整流电路工作原理时，我们曾经假设晶闸管是理想的开关元件，导通时认为

16、其电阻为零，而关断时，认为其电阻无穷大。但事实上，晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降。晶闸管装置中的无功功率，会对公用电网带来不利影响：1) 无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。2) 无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。3) 使线路压降增大，冲击性无功功率负载还会使电压剧烈波动。晶闸管装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：1) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。2) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严

17、重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1)和2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。5) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。为防止谐波危害，晶闸管装置可以采取措施抑制谐波，其办法大致有：（1）增加电流相数：一个改变变流装置的电流波形的方法是增加交流装置的脉动数，谐波次数越高，其幅值就越小，增加供电的相数就能显著减小谐波的次数。（2）安装谐波滤波器：常采用的排除大

18、中型变流装置谐波的有效方法是在交流装置输入端对这些谐波分量进行滤波。（3）减小相位角。4.6 晶闸管触发电路的设计及定相4.6.1晶闸管触发电路的设计触发电路的选择：1）触发信号可以是交流，直流或脉冲形式。由于晶闸管触发导通后，门极即失去控制作用，为减少门极损耗，一般触发信号采用脉冲形式。2）触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。触发电路的任务是提供控制晶闸管的门极触发信号。由于晶闸管门极参数的分散性以及其触发电压、电流随温度变化的特性，为使各合格元件在各种条件下均能可靠触发，触发电流、电压必须大于门极触发电流和触发电压，即脉冲信号触发功率必须保证在各种工作条件下都能使晶闸管可靠导通，触发脉冲信号

19、应有一定的宽度，脉冲前沿要陡，保证触发的晶闸管可靠导通。如果触发脉冲过窄，在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的掣住电流，则晶闸管会重新关断。对于三相全控桥式整流电路，要求触发脉冲信号是间隔60的双窄脉冲或大于60小于120的宽脉冲或脉冲列。3） 为使并联晶闸管元件能同时导通，则触发电路应能产生强触发脉冲。在大电流晶闸管并联电路中，要求并联元件能同时导通，各元件的都应在允许范围之内。由于元件特性的分散性，先导通元件的就会超过允许值而损坏，故应采取图3所示的强 触发脉冲。强触发电流幅值为触发电流值的5倍左右，前沿陡度应不小于0.5/s，最好大于1/s；强触发宽度对应时间应大于50s，脉冲持续时

20、间应大于550s。4) 触发脉冲的同步及移相范围。为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角下触发导通，触发脉冲必须与电源同步，也就是说触发信号应与电源保持固定的相位关系。同时，为了使电路在给定的范围内工作，应保证触发脉冲能在相应范围内进行移相。为保证逆变工作安全可靠，对最小的逆变角min也应加以限制，一般min=3035。5) 隔离输出方式及抗干扰能力。触发电路通常采用单独的低压电源供电，因此应采用某种方法将其与主电路电源隔离。常用的是在触发电路与主电路之间连接脉冲变压器。此类脉冲变压器需作专门设计。触发电路正确可靠的运行是对晶闸管设备的安全运行极为重要的环节。引起触发电路误动作的主要原因之一是从

21、主电路或安装在触发电路附近的继电器和接触器引起的干扰。主电路的干扰常通过触发电路的输出级而进入触发电路，常用的抗干扰措施为：脉冲变压器采用静电屏蔽，串联二极管、并联电容等。由于全控桥式整流电路负载中含有电阻和电感，电感是大电感，因此电流是连续的。这里设计的触发电路采用锯齿波同步触发电路，这种电路输出为双窄脉冲（也可输出单窄脉冲），它适用于对触发电路要求较高的晶闸管整流电路。锯齿波触发电路可以分为三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。图3 晶闸管锯齿波同步触发电路锯齿波电路脉冲形成过程如下：（1）冲形成环节锯齿波电路脉冲形成过程如下、 脉冲形成，、 脉冲放大。控制电压

22、加在基极上。对脉冲的控制作用及脉冲形成：=0时，截止。饱和导通。、处于截止状态，无脉冲输出。电容充电，充满后电容两端电压接近2(30V)。=0.7V 时，导通，A点电位由+E1(+15V)1.0V左右，基极电位约-2(-30V)， 立即截止。集电极电压由-E1(-15V)+2.1V，V7、V8导通，输出触发脉冲。电容放电和反向充电，使基极电位,直到-(-15V)，又重新导通。使、截止，输出脉冲终止。脉冲前沿由导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在集电极电路中。（2）锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，采用恒流源

23、电路方案。由、和等元件组成，、VS、和为一恒流源电路。截止时，恒流源电流对电容充电，调节，即改变的恒定充电电流，可见是用来调节锯齿波斜率的。导通时，因很小故迅速放电，电位迅速降到零伏附近，周期性地通断，便形成一锯齿波，同样也是一个锯齿波，射极跟随器的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压的影响。V4基极电位由锯齿波电压、控制电压、直流偏移电压三者作用的叠加所定，如果=0，为负值时，b4点的波形由+确定，当为正值时，b4点的波形由+ 确定，M是V4由截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿，加的目的是为了确定控制电压=0时脉冲的初始相位。 图4 晶闸管锯齿波同步触发电路波形 （3）同步环节同步要求触发脉

24、冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定，锯齿波是由开关管来控制的，开关的频率就是锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压决定，由导通变截止期间产生锯齿波锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点，截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度取决于充电时间常数。（4）双窄脉冲形成环节、构成“或”门，当、都导通时，、都截止，没有脉冲输出只要、有一个截止，都会使、导通，有脉冲输出，第一个脉冲由本相触发单元的对应的控制角a 产生，隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过）。4.6.2 触发电路的定相为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其

25、二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管频率始终是一致的。触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。只有根据各晶闸管供电电压的相位正确决定各触发电路同步电压的相位，才能保证各晶闸管有相同的控制角，相同的输出电压波形。正确选择同步电压相位，叫做晶闸管电路的同步或定相，它是变流装置设计、安装、调整、维护中的重要问题。锯齿波同步触发电路的同步电压和晶闸管的供电电压之间的相位关系分析如下：晶闸管的供电电压如图5所示，据单相电路要求移相范围001800，即要求触发电路在正半波范围内发出脉冲。因此，正半波范围内应存在锯齿波的上升段，锯齿

26、波的宽度为2400，见图6所示。图5 晶闸管的供电电压 图6 晶闸管的同步电压由上分析可见，为保证触发电路与主电路的同步，其晶闸管的供电电压和触发电路的同步电压相位差1800。4.7 晶闸管过电压、过电流保护电路的设计在电力电子电路中，电力电子器件由于承受电压、电流过大，或变化过快，就会使电力电子器件烧坏，从而使整个电路不能正常工作，因此设计过电压、过电流保护电路来保证电力电子器件的正常工作是非常有必要的。下面就过电压保护电路、过电流保护电路的设计分别予以讨论分析。4.7.1 晶闸管过电压保护电路的设计晶闸管电路中可能发生的过电压可分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中

27、的操作过程等外部原因。内因过电压主要来自晶闸管内部的开关过程。，包括换相过电压和关断过电压。晶闸管电路过电压保护主要防止内因过电压，一般情况下，外因过电压出现的几率比较小，这里主要分析内因过电压的电路设计。晶闸管内因过电压保护电路如图7所示。图7 晶闸管过电压保护电路 这种保护电路能有效的抑制内因过电压，从而保护晶闸管不受损坏。这种电路一般和抑制电路串联使用，从而更好的保护晶闸管。图8 晶闸管过电压、di/dt抑制保护电路如图8所示，V开通时刻缓冲电容先通过向V放电，使电流先上一个台阶，以后因为有抑制电路的 ,的上升速度减慢。、是在V关断时刻为中的磁场能量提供放电回路设置的。在V关断时，负载电

28、流通过向分流，减轻了V的负担，抑制了和过电压。 4.7.2 晶闸管过电流保护电路的设计晶闸管电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。图9给出了各种过电流保护措施及其配置位置。图9 过电流保护措施及配置位置其中采用快速熔断器、直流快速断路器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。从图可看出，晶闸管的过电流保护采用快速熔断器进行保护，因为快速熔断器是电力电子装置中最

29、有效、应用最广的一种过电流保护措施，本图中这一功能是通过快速熔断器与晶闸管直接串联来实现的。小结课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。近几十年来，随着电源技术的发展和应用，电力电子技术起着越来越重要的作用。电力电子课程已成为自动化专业的核心课程。这次课程设计的主要内容是交流变直流，即整流过程，此次课程设计包括主电路参数计算，触发电路的设计，晶闸管的过电压保护和过电流保护电路的设计，我通过查阅资料，认真完成了每一个任务。在做的过程中也几次失去过信心，幸好有同学们的帮忙，以及老师的指点才使我走出困境，这

30、个从会做到不会做再到会做的过程使我学会了很多知识，更重要的是使我懂得了很多道理，我感受到了团队精神的重要和集体的温暖，知道自己只是懂得课本上的知识是不够的，更重要的是实践能力，当然不论做什么，有不会的知识是一定的，关键是我们要有去获取知识解决困难的能力。整个课程设计虽然花费了我大量的时间、精力，但我从中也学会了不少知识。首先，在整个设计中必须知道自己要干什么，整流电路中还有很重要的驱动电路，保护电路之类的电路及参数需要选择，然后明确首先得完成的基本要求；其次，学会查找资料，由于图书馆关于电力电子的书很少，所以开始基本上找不到有关滤波器等设计的资料及参考书籍，而网上的资源太多，太杂，不得不说，这

31、方面做的仍然不太好，虽然查了很多书，但是相关的信息却很少；最后，学会独立完成一份设计，并从中获得自信，也明了一个设计必须得有很坚实的基础。总之，通过此次课程设计，我学会了综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，自己查找资料、独立解决问题的能力也有了很大的提高，这对我以后的学习以及找工作都是非常重要的，所以我也要感谢学校给我了很好的测试并锻炼自己的机会。参考文献1王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社,20002周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社,20053贾正春，马志源.电力电子学.北京：中国电力出版社，20014叶斌.电力电子应用技术.北京：清华大学出版社，2006.55林辉，王辉.电力电子技术.武汉：武汉理工出版社，2002.36陈国呈.新型电力电子变换技术.北京：中国电力出版社，2004.97浣喜明、姚为正.电力电子技术.北京：高等教育出版社，20048黄俊.半导体变流技术.第二版.北京：机械工业出版社，19809莫正康.半导体变流技术.北京：机械工业出版社，199910叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：中国铁道出版社，1999附录单相桥式全控整流电路总体框图如图10所示：图10 单相桥式全控整流电路总体框图